剖析知識建立過程挖掘核心素養教育元素
——從高中物理功的教學說起

唐黎明

(上海市寶山區教育學院 上海 201900)

《普中高中物理課程標準》[1]指出能量觀念是物理核心素養 “物理觀念”方面中的三大要素之一，可見其在高中物理教學中的地位，物理同仁都知道學習能量是離不開學習功的，學習能量在很大程度上是在學習功和能的關系，而通常來說總是先學功，再學能，所以學習功是學生建立能量觀念的首要一步；長期的中學教學經驗又告訴我們，學習抽象的功的概念大部分學生是有困難的，鑒于上述2個原因，本人覺得探討功的教學問題具有一定的現實意義．

1 教材中的思維路徑

無論是現行的人教版高中《物理·必修2》[2]，還是上科版物理高一年級第二學期[3]，關于功的定義式W=Fscosθ都是通過下面的思維路徑尋得的．

(1)回憶初中物理功的定義式W=Fs，并指出該定義式只適合圖1所示的力F和位移s同方向的時候，并說明當F和s垂直時F不做功．

圖1 力F和位移s同方向

(2)分解力F．首先提問，當F和s如圖2所示成θ角時如何來計算力F的功？根據的力等效替代思想，可以將力F沿平行于位移s方向和垂直于位移s方向分解，得到Fx和Fy，如圖3所示.

圖2 力F和位移s同成θ角

圖3 對力F進行分解

(3)推出W=Fscosθ．由于Fy和s垂直，所以Fy不做功，即做功為零；又Fx=Fcosθ，W=Fxs，所以有W=Fscosθ．

(4)討論正功、零功和負功．

1)當0≤θ<90°時，cosθ>0，所以W>0，F做正功；

2)當θ=90°時，cosθ=0，所以W=0，F不做功；

3)當時90°<θ≤180°，cosθ<0，所以W<0，F做負功．

由此，得到了功的一般定義式W=Fscosθ．

2 被強加的邏輯前題

表面上看來，教材通過上面4步“邏輯”地推導出了W=Fscosθ，如果課堂教學只是就事論事地按這4步來教授，那么不僅教師在邏輯上感到“生硬”，而且學生在知識內化上也會感到W=Fscosθ是被莫名強加的．

上面4步中除了第(1)步，只是復習學生在初中已具備的知識外，后面3步分別潛在地采用了學生所不具備的、可用于計算功的知識，來作為推理的前題．

第(2)步中所采用的推理前題是：力的合成與分解知識可用于功的計算．熟悉高中物理教學的老師都知道在還沒有學習功以前，力的合成與分解知識只在靜力學和動力學范圍內被運用，教材不加說明地直接將其用于計算功，悄悄地將這一知識的運用范圍擴大了，實為唐突．

第(3)步中所采用的推理前題是：合力做的功等于各個分力所做功的代數和．這一知識應該是在學生掌握W=Fscosθ之后，再來學習的，但教材顯然是先“盜用”了，有“邏輯循環”之嫌．

第(4)步中所采用的推理前題是：圖2情景(0<θ<90°)下推出的W=Fscosθ，也適用于90°<θ≤180°下的物理情景，也就是說教材不加說明地將在一定情景下推出的物理公式擴大了適用范圍，這與第(2)步中擴大知識的使用范圍類同．

通過上面分析，我們不難明白對于“功”按教材直接進行教學，從認知角度上來看難以接受的原因了．

3 必要的知識引導

為了避免這種邏輯上的“生硬”，我們不妨大大方方地將這些學生還不知道的、推理的前提性知識先明確地告訴學生， 為學生將要進行的推理做好知識鋪墊．實際上這些知識是學生進一步學習新知識所必需的“內部條件”[4]，當學生還不具備這些“內部條件”時按上述路徑來教授“功”自然是不成功的．在教學思路上可以補充下面的引導，以幫助學生建立這些“內部條件”．

對于第(2)步，首先需要向學生說明的是：將力F分解為Fx和Fy，即用Fx和Fy來替代F，Fx和Fy將不會改變物體的運動情況，所以計算F做的功可以轉化為計算Fx和Fy做的功．那么沿哪二個方向分解F才使得初中學的功的知識有用呢？按圖3所示來分解F學生是容易找到的．

對于第(3)步，首先需要向學生說明的是F做的功等于Fx，Fy分別做的功的代數和，而不是矢量和，順便指出功是標量

對于第(4)步，首先需要向學生提出問題：如圖4所示，若F方向和位移s方向成鈍角，則又如何來計算F的功呢？公式W=Fscosθ中θ角的取值范圍是否可以拓展至鈍角甚至180°呢？其次告訴學生在物理學中規定θ角的取值范圍正是[0，180°][一道可以作為課后的作業：試問θ角的取值范圍有必要增加(180°，360°]范圍嗎？]，再次才來討論功的正、負問題．

圖4 力F與位移夾角θ為鈍角

最后，有必要對學生作進一步的闡明，對于功的定義式W=Fscosθ與其說是推導出來的，不如說是依據合理的假設前提建構出來的，W=Fscosθ不僅包含已學的特殊形式W=Fs，而且擴展了計算功的適用范圍，對于學生來說開闊了計算功的視野，尋得了在更大范圍內對功的認識，所以由W=Fs到W=Fscosθ學習，屬于奧蘇伯爾有意義言語學習理論中的“上位學習”[5]，學生在腦中建立了關于功的較一般的知識(功的最一般的定義式在大學物理中學習)．

4 建構法

聯想到當前物理核心素養中的科學思想方面，發現上述W=Fscosθ的建構過程，具有培養學生創新思想的價值，這種創新不同于通過歸納法去實現，也不同于運用類比法去發現，而是通過將已學的知識運用于更一般的情景，并采用合理的假設，從而產生包容性更廣的知識來實現，我們把這種創造新知識的方法叫做建構法，建構法實際上綜合地運用了假設、演繹和類比等思想方法，這是一種綜合的思想方法．舉例來說，量子力學中德布羅意的物質波假設的提出，就運用了建構法，因為他把光的波粒二象性，推擴到了所有實物粒子身上，在思想方法上不僅有類比，更采用了一般的假設．當然，運用建構法得出的結論在理論上或許是合理的，但也有可能面臨著沒有實際物理意義的風險．盡管如此，眾所周知物理學中的許多創新成果正是在合理外推，大擔假設的情況下取得的．

為了能夠更好地在一線課堂全面落實物理核心素養教育，我們要全面地分析教材，解讀教材，通過對物理知識建立過程的剖析，深刻挖掘教材中物理核心素養教育的元素，將這些潛在的“元素”顯性化，不愁素養教育不能“落地生根”，上述關于功的教學問題的闡述，就作為挖掘教材中物理核心素養教育元素的一個例子，供大家參考．